电子科大细胞生物学第二章-细胞的统一性与多样性

,第二章细胞的统一性与多样性,掌握细胞基本概念、基本共性掌握原核细胞与真核细胞、动物细胞与植物细胞比较理解真核细胞基本结构体系、细胞形态结构与功能关系掌握病毒及其与细胞的关系,本章学习要求,细胞的基本概念原核细胞、古核细胞与真核细胞非细胞形态的生命体病毒及其与细胞的关系,本章主要教学内容,第一节细胞的基本概念,细胞是生命活动的基本单位细胞概念的一些新思考细胞的基本共性,一切有机体都由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。细胞具有独立、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位。细胞是有机体生长与发育的基础。细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。没有细胞就没有完整的生命。,一、细胞是生命活动的基本单位,细胞是多层次、非线性的复杂结构体系细胞具有高度复杂性和组织性,细胞是高度有序的，具有自组装与自组织能力的体系。细胞能进行自我调控繁殖和传留后代,细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体细胞完成各种化学反应细胞需要和利用能量细胞参与大量机械活动细胞对刺激作出反应,二、细胞概念的一些新思考,相似的化学组成:,三、细胞的基本共性,脂-蛋白体系的生物膜DNA-RNA的遗传装置蛋白质合成机器核糖体一分为二的分裂方式,基本元素：C、H、O、N、P、S、Ca、K、Fe、Na、Cl、Mg等生物小分子：核苷酸、氨基酸、脂肪酸、单糖生物分子：核酸、蛋白质、脂质、多糖生物大分子：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、糖脂、磷脂等,原核细胞（Prokaryoticcell）真核细胞（Eukaryoticcell）古细菌（Archaebacteria）,第二节原核细胞与古核细胞,一、原核细胞,遗传的信息量小，遗传信息载体仅由一个环状DNA构成；细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能的细胞器和细胞核膜。,1、基本特点：,（Prokaryoticcell）,支原体（mycoplast）目前发现的最小最简单的细胞，直径0.1-0.3um，仅为细菌的1/10。细菌：直径1-2um蓝藻，又称蓝细菌（Cyanobacteria）,2、主要代表：,支原体模式图,直径0.1-0.3um,直径1-2um,细菌细胞壁成分：肽聚糖,由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸与四、五个氨基酸短肽聚合而成的多层网状大分子结构。,某些细菌的表面还有特殊结构荚膜,荚膜：位于细胞壁表面的一层松散的粘液物质。荚膜的成分因不同菌种而异，主要是由葡萄糖与葡萄糖醛酸组成的聚合物，也有含多肽与脂质。,质粒,细菌染色体,大肠杆菌模式图,细菌细胞有“染色体”外质粒。,质粒DNA双链,蓝藻细胞壁：除了有与高等植物一样的纤维素成分外，还有与细菌相似的肽聚糖。,古细菌一词出现在20世纪80年代：指那些生长在极端特殊环境中的细菌，又称原细菌。如产甲烷细菌、嗜热、盐细菌。古细菌与真核细胞曾在进化上有过共同历程。主要证据：进化系统树：有些生物学家建议将生物划分为原核生物、古核生物和真核生物三大界，将细胞相应分为三大类型：原核细胞、古核细胞和真核细胞。,二、古细菌,（Archaebacteria）,（1）细胞壁的成分与真核细胞一样，而不是由含壁酸的肽聚糖构成，因此抑制壁酸合成的链霉素，抑制肽聚糖前体合成的环丝氨酸，抑制肽聚糖合成的青霉素与万古霉素等对真细菌类有强的抑制生长作用，而对古细菌与真核细胞却无作用。（2）DNA与基因结构：古细菌DNA中有重复序列的存在。此外，多数古核细胞的基因组中存在内含子。,主要证据,（3）有类核小体结构：古细菌具有组蛋白，而且能与DNA构建成类似核小体结构。（4）有类似真核细胞的核糖体：多数古细菌类的核糖体较真细菌有增大趋势，含有60种以上蛋白，介于真核细胞（7084）与真细菌（55）之间。抗生素同样不能抑制古核细胞类的核糖体的蛋白质合成。,（5）5SrRNA：根据对5SrRNA的分子进化分析，认为古细菌与真核生物同属一类，而真细菌却与之差距甚远。5SrRNA二级结构的研究也说明很多古细菌与真核生物相似。,除上述各点外，根据DNA聚合酶分析，氨基酰tRNA合成酶的作用，起始氨基酰tRNA与肽链延长因子等分析，也提供了以上类似依据，说明古细菌与真核生物在进化上的关系较真细菌类更为密切。,1、真核细胞的基本结构体系,以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统。以核酸（DNA或RNA）与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统。由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。,第三节真核细胞,（Eukaryoticcell）,2、细胞的大小及其分析,某些不同来源的同类细胞的大小变化很大，如人的卵细胞的直径只有0.2mm，而鸵鸟的卵细胞的直径则有5cm。,但是，来自不同物种的多数同类型细胞的体积一般是相近的，不依生物个体的大小而增大或缩小。如人、牛、马、鼠、象的肾细胞、肝细胞的大小基本相同。因此，器官的大小主要决定于细胞的数量，与细胞的数量成正比，而与细胞的大小无关。,细胞体积守恒定律,细胞的体积与相对表面积成反比关系，细胞体积越大，其相对表面积就越小，细胞与周围环境交换物质的效力就越小。不论细胞体积大小相差多大，但各种细胞核的大小悬殊却不大。细胞内物质的交流运输与细胞体积有关，细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间关系的。,3、细胞形态结构与功能的关系,如：红细胞与其功能：,细胞的形态结构与功能的相关性和一致性是很多细胞的共同特点，在分化程度较高的细胞中更为明显。,各类分泌细胞与其功能：,精子、卵细胞与其功能：,原核细胞与真核细胞基本特征的比较原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较植物细胞与动物细胞的比较,4、原核细胞与真核细胞的比较,原核细胞与真核细胞基本特征的比较,原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较,植物细胞与动物细胞的比较,植物细胞有细胞壁、液泡、叶绿体；动物细胞无。,病毒的基本知识病毒在细胞内增殖（复制）病毒与细胞在起源与进化中的关系,第四节非细胞形态的生命体,病毒及其与细胞的关系,病毒既有DNA，也有RNA吗？,讨论,病毒（virus）核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体；根据病毒的核酸类型可以将其分为两大类：DNA病毒与RNA病毒病毒的多样性类病毒（viroid）仅由感染性的RNA构成朊病毒（prion）仅由感染性的蛋白质亚基构成,一、病毒的基本知识,RetrovirusesareinfectiousparticlesconsistingofanRNAgenomepackagedinaproteincapsid,surroundedbyalipidenvelope.Thislipidenvelopecontainspolypeptidechainsincludingreceptorbindingproteinswhichlinktothemembranereceptorsofthehostcell,initiatingtheprocessofinfection.RetrovirusescontainRNAasthehereditarymaterialinplaceofthemorecommonDNA.InadditiontoRNA,retrovirusparticlesalsocontaintheenzymereversetranscriptase(orRNAse),whichcausessynthesisofacomplementaryDNAmolecule(cDNA)usingvirusRNAasatemplate.Whenaretrovirusinfectsacell,itinjectsitsRNAintothecytoplasmofthatcellalongwiththereversetranscriptaseenzyme.ThecDNAproducedfromtheRNAtemplatecontainsthevirallyderivedgeneticinstructionsandallowsinfectionofthehostcelltoproceed.,Adenovirus,HIV-(HumanImmunodeficiencyVirus),二、病毒在细胞内的增殖（复制）,病毒能在细胞外增殖吗？,讨论,病毒侵入细胞病毒核酸在细胞内复制、转录、合成病毒蛋白质病毒装配、成熟与释放,病毒增殖（复制）过程分三步：,病毒表面识别结构与敏感细胞表面受体发生特异吸附，之后以如下方式侵入细胞：,主动吞饮：多数病毒用此方式，需能量。病毒包膜与敏感细胞的细胞膜发生融合。病毒仅将核酸注入被感染的细胞内，壳体不进入细胞：如噬菌体。,1、病毒侵入细胞,2、病毒核酸复制、转录与蛋白质合成,（1）病毒核酸复制类型,病毒进入细胞后，在宿主细胞蛋白水解酶（脱衣酶）作用下，病毒壳体裂解，释放DNA。DNA进入细胞核，由病毒DNA指导合成“早期蛋白”。早期蛋白关闭宿主细胞的基因调控，抑制宿主细胞本身的核酸复制与转录以及蛋白质合成。另一种“早期蛋白”具有病毒特异聚合酶活性，可催化DNA复制新的病毒DNA，并转录出病毒mRNA，病毒mRNA与宿主细胞核糖体结合翻译出子代病毒结构蛋白。,（2）病毒核酸复制过程（举例）,1）双链DNA病毒复制：,在病毒自身携带的逆转录酶作用下，逆转录合成DNA，之后整合到宿主细胞染色体DNA上病毒mRNA病毒蛋白质。,2）单链RNA病毒复制：,以病毒RNA作模板先合成“早期蛋白”，后者一方面抑制宿主细胞DNA复制与转录，另一方面催化病毒RNA复制出新的病毒RNA，同时又转录出病毒mRNA，进而合成子代病毒结构蛋白。,3）逆转录病毒复制：,疱疹病毒是一种典型的有包膜的立体对称型DNA病毒：A：经负染色的病毒粒子，可见核壳体之外包被着包膜；B：经超薄切片的病毒粒子，结构层次清晰，中央为DNA核心，电子密度很大，中间层为蛋白壳体，外层为脂蛋白的包膜；C：用冷冻蚀刻技术制备的病毒粒子，由于包膜的磷脂双分子层被揭开，可以见到镶嵌在包膜上的糖蛋白分子基团；D：扫描电镜下可以观察到大量释放到细胞表面的成熟的病毒粒子。,腺病毒是典型的无包膜的立体对称型DNA病毒，它们是在细胞核内复制与装配的。图中显示已装配好的腺病毒在核内呈晶格样排列。,辛德毕斯病毒（SbV）是典型的有包膜病毒，由正20面体对称的核壳和脂蛋白包膜两部分组成。图示SbV出芽成熟和释放的各个阶段。,ProcessbywhichretrovirusesuseahostcelltoreplicateRetrovirusescontainviralRNAandseveralcopiesofreversetranscriptase(DNApolymerase).Afterinfectingacell,thereversetranscriptaseisusedtomaketheinitialcopiesofviralDNAfromviralRNA.OnceaDNAstrandhasbeensynthesized,acomplementaryviralDNAstrandismade.ThesedoublestrandcopiesofviralDNAareinsertedintothehost-cellchromosomeandhost-cellRNApolymeraseisusedtomakevirus-relatedRNA.TheseRNAstrandsserveastemplatesformakingnewcopiesoftheviralchromosomalRNAandservealsoasmRNA.mRNAistranslatedintoviralproteinsthatareusedtomakethevirusenvelope.Newviralparticlesareassembled,budfromtheplasmamembrane,andarereleased.Anexampleofthisprocessisillustratedinthereplicationoftheretrovirus,AIDS.,有包膜病毒成熟后，以出芽方式释放。无包膜病毒成熟后，释放时引起细胞崩解。,3、病毒装配、成熟与释放,三、病毒与细胞在起源与进化中的关系,病毒与细胞在起源上的关系，目前存在3种主要观点：,病毒是非细胞形态的生命体，它的主要生命活动必须要在细胞内实现。,生物大分子病毒细胞,生物大分子,病毒,细胞,生物大分子细胞病毒,（1）所有病毒都必须在细胞内复制与增殖才能表达其基本生命现象，没有细胞的存在就没有病毒繁殖。因此认为，只能先有细胞后有病毒。（2）已证明，有些病毒（如腺病毒）的核酸与哺乳动物细胞DNA某些片段的碱基序列十分相似，细胞癌基因与反转录病毒的病毒癌基因具有同源序列。认为病毒癌基因起源于细胞癌基因。,病毒是细胞演化产物的主要依据,（3）病毒